一种液位光电传感器及液面高度测量方法技术

本申请属于光电传感技术领域，公开了一种液位光电传感器及液面高度测量方法，光源发出的光通过准直扩束透镜后被调制为平行光，平行光以竖直向上的方向从第一平面垂直射入三棱镜内部；入射至所述斜面的待测液位面以下的平行光透射出三棱镜，入射至所述斜面的待测液位面以上的平行光在斜面处发生全反射；发生全反射的反射光通过聚焦透镜后入射至光电探测器；当液位升高时，因全反射收集进光电探测器的光强减小，当液位下降时，因全反射收集进光电探测器的光强增大，因此可通过光电探测器采集的光强实现对液位的实时传感测量。本申请的液位光电传感器结构简单、反应灵敏度高，可实时定量测量液面高度以及液面变化量。量测量液面高度以及液面变化量。量测量液面高度以及液面变化量。

【技术实现步骤摘要】
一种液位光电传感器及液面高度测量方法


[0001]本申请涉及光学器件
，涉及一种液位光电传感器。

技术介绍

[0002]油箱、水箱等液体容器中的液位高度是重要的工作参数之一，为了保证供油装置或供水装置正常运行，需要对液体容器内部的液面高度进行监测。因此液位传感在化工加工、燃料储存和运输系统等工业应用中起着至关重要的作用。
[0003]光电液位传感器是利用光在两种不同介质界面发生反射折射原理而开发的接触式点液位测控装置。它具有结构简单，定位精度高；没有机械部件，不需调试；灵敏度高及耐腐蚀；耗电少；体积小等诸多优点而受到市场的逐渐认可。
[0004]现有光电液位传感器产品内部包含一个近红外发光二极管和一个光敏接收器；发光二极管所发出的光被导入传感器顶部的透镜；当液体浸没光电液位开关的透镜时，则光折射到液体中，从而使接收器收不到或只能接收到少量光线。光电液位开关通过感应这一工况变化，接收器可以驱动内部的电气开关，从而启动外部报警或控制电路。如果没有液体，则发光二极管发出的光直接从透镜反射回接收器。
[0005]现有光电液位传感器只能对液体浸没透镜与未浸没透镜的状态做出响应，并不能传感液位实时高度，以及液位变化量做出定量传感。在一些需要高精度检测液面实时高度的场景中，现有方案并不能胜任。

技术实现思路

[0006]为解决
技术介绍
中指出的问题，采取如下技术方案：
[0007]一种液位光电传感器，包含光源、准直扩束透镜、三棱镜、聚焦透镜、光电探测器；三棱镜的横截面为等腰直角三角形，三棱镜的三个光学面分别为第一平面、第二平面、斜面，其中第一平面位于三棱镜底部，第二平面竖直向下并与第一平面相互垂直；
[0008]光源发出的光通过准直扩束透镜后被调制为平行光，平行光以竖直向上的方向从第一平面垂直射入三棱镜内部；入射至所述斜面的待测液位面以下的平行光透射出三棱镜，入射至所述斜面的待测液位面以上的平行光在斜面处发生全反射；发生全反射的反射光通过聚焦透镜后入射至光电探测器。当液位升高时，因全反射收集进光电探测器的光强减小，当液位下降时，因全反射收集进光电探测器的光强增大，因此可通过光电探测器采集的光强实现对液位的实时传感测量。
[0009]所述的光源包括：LED或半导体激光器。本方案的光源可选用普通的LED光源，也可选用半导体激光器光源，成本低。
[0010]准直扩束透镜包括：所述的准直扩束透镜由第一汇聚透镜和第二汇聚透镜组成，第一汇聚透镜的像方焦点与第二汇聚透镜的物方焦点重合。第一汇聚透镜将入射的光束聚焦成球面波，通过共焦设置的第二汇聚透镜将球面波调整成平面波，从而实现对入光束的扩束及准直。
[0011]进一步的，第一汇聚透镜的像方焦点处设置有小孔滤波器。小孔滤波器用于滤除杂散光。
[0012]进一步的，三棱镜材质选用亚克力塑料、光学树脂、玻璃之一。亚克力材料具有较低的成本，制备工艺也最简单；光学树脂密度小，折射率较均匀；玻璃具有较好的折射率均匀性以及耐磨性能。
[0013]进一步方案为：准直扩束透镜与第一平面胶合，聚焦透镜与第二平面胶合。
[0014]优选方案为：所述准直扩束透镜以及所述聚焦透镜均选用平凸透镜。平凸透镜中包含平面可便捷地与三棱镜组成胶合体，结构紧凑。选用光学树脂或亚克力材质时可以使用模压工艺批量化获得准直扩束透镜、三棱镜、聚焦透镜三者胶合体结构。
[0015]本申请方案的优点是：液位光电传感器结构简单、反应灵敏度高，可实时定量测量液面高度以及液面变化量，可应推广用于液位自动化控制。
附图说明
[0016]图1：实施例一液位光电传感器结构示意图；
[0017]图2：三棱镜结构示意图；
[0018]图3：透明密封腔结构示意图；
[0019]图4：实施例二液位光电传感器结构示意图；
[0020]图5：实施例三中准直扩束透镜、三棱镜、聚焦透镜三者胶合体结构示意图；
[0021]其中：1为光源，2为准直扩束透镜，3为三棱镜，4为聚焦透镜，5为光电探测器，6为第一平面，7为第二平面，8为斜面，9为透明密封腔，10为三棱镜安装部，11为液位面。
具体实施方式
[0022]为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将合附图对本申请做进一步地详细描述。以下，本申请术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
[0023]实施例一
[0024]一种液位光电传感器，如图1所示，包含光源1、准直扩束透镜2、三棱镜3、聚焦透镜4、光电探测器5；三棱镜如图2所示，其横截面为等腰直角三角形，三棱镜的三个光学面分别为第一平面6、第二平面7、斜面8，其中第一平面位于三棱镜底部，第二平面竖直向下并与第一平面相互垂直；
[0025]光源发出的光通过准直扩束透镜后被调制为平行光，平行光以竖直向上的方向从第一平面垂直射入三棱镜内部；入射至所述斜面的待测液位面以下的平行光透射出三棱镜，入射至所述斜面的待测液位面以上的平行光在斜面处发生全反射；发生全反射的反射光通过聚焦透镜后入射至光电探测器。
[0026]使用本申请液位光电传感器的液面高度测量方法为：假设三棱镜折射率为n1，在斜面上入射角为θ1，待测液体折射率为n2，以n1为1.5，n2为1.33为例，此时三棱镜射向待测液体中发生全反射的临界角为arcsin(n2/n1)＝62.45
°
，三棱镜射向空气中全反射的临界角为arcsin(1/n1)＝41.8
°
。本申请的入射角θ1为45度，则待测液位面以下的平行光入射角小于三棱镜射向待测液体的临界角，因此透射出三棱镜；入射至待测液位面以上的平行光
入射角大于三棱镜射向空气中全反射的临界角，在斜面处发生全反射，发生全反射的反射光通过聚焦透镜后入射至光电探测器。
[0027]假设第一平面处的水平面为零位面，激光器发出的光强为I0，三棱镜的斜面的反射率为4％，三棱镜的高度为H0；
[0028]当待测液体液位完全浸没三棱镜斜面时，入射至斜面的平行光96％透射出三棱镜，进入光电探测器的光强为I0*4％；
[0029]当待测液体液位完全低于三棱镜斜面时，入射至斜面的平行光全部发生全反射，进入光电探测器的光强为I0；
[0030]当检测到光强I位于为I0*4％～I0之间时，液位高度h处于液位光电传感器有效测量范围；
[0031]至少存在如下关系：
[0032]因此可以通过接收的光强实时求得当前液位高度。
[0033]实施例二
[0034]一种液位光电传感器，在实施例一基础上还包括，如图3所示的透明密封腔9，透明密封腔上设置有三棱镜安装部10，所述的三棱镜安装部用于安装三棱镜；如图4所示，光源1、准直扩束透镜2、聚焦透镜4、光电探测器5均安装于透明密封腔9内部，高于液位面11的光发生全反射进入光电探测器，低于液位面部分的光从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液位光电传感器，其特征在于包含：光源、准直扩束透镜、三棱镜、聚焦透镜、光电探测器；三棱镜的横截面为等腰直角三角形，三棱镜的三个光学面分别为第一平面、第二平面、斜面，其中第一平面位于三棱镜底部，第二平面竖直向下并与第一平面相互垂直；光源发出的光通过准直扩束透镜后被调制为平行光，平行光以竖直向上的方向从第一平面垂直射入三棱镜内部；入射至所述斜面的待测液位面以下的平行光透射出三棱镜，入射至所述斜面的待测液位面以上的平行光在斜面处发生全反射；发生全反射的反射光通过聚焦透镜后入射至光电探测器。2.根据权利要求1所述的一种液位光电传感器，其特征在于所述光源包括：LED或半导体激光器。3.根据权利要求1所述的一种液位光电传感器，其特征在于：准直扩束透镜包括：所述的准直扩束透镜由第一汇聚透镜和第二汇聚透镜组成，第一汇聚透镜的像方焦点与第二汇聚透镜的物方焦点重合。4.根据权利要求3所述的一种液位光电传感器，其特征在于：第一汇聚透镜的像方焦点处设置有小孔滤波器。5.根据权利要求1所述的一种液位光电传感器，其特征在于：三棱镜材质选用亚克力塑料、光学树脂、玻璃之一。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜顺乾，
申请(专利权)人：姜顺乾，
类型：发明
国别省市：